Simulasi Pintu Perlintasan Kereta Api Otomatis Berbasis ARDUINO UNO
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Arduino Uno - ITERA
Transcript of BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Arduino Uno - ITERA
5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Arduino Uno
Arduino merupakan sebuah papan elektronik yang menggunakan mikrokontroler
jenis tertentu seperti ATMega yang dirilis oleh Atmel AVR yang dapat digunakan
untuk mendeteksi keadaan suatu lingkungan dengan menerima input dari berbagai
sensor (sensor cahaya, suhu, inframerah, ultrasonik, jarak, tekanan, kelembaban)
dan dapat mengontrol perangkat lainnya seperti mengontrol kecepatan dan arah
putar motor, menyalakan LED, dan sebagainya [3].
Menurut [3] keuntungan saat menggunakan Arduino, antara lain:
1. Harga relatif murah dibandingkan dengan mikrokontroler lainnya dengan
kelebihan yang ditawarkan;
2. Dapat digunakan pada berbagai sistem operasi Windows, Linux, Max, dan
lain-lain; dan
3. Memiliki bahasa pemrograman yang mudah dipahami, proyek Arduino
sudah banyak dipelajari karena open source.
Salah satu jenis arduino adalah arduino Uno. Arduino Uno dibekali dengan
mikrokontroler ATMEGA328P dengan versi terakhirnya adalah versi R3.
Mikrokontroler ATMega328 memiliki arsitektur Harvard, yakni konsep
pemisahan antara memori kode program dan memori data sehingga berjalan
dalam satu alur tunggal. Konsep ini memungkinkan intruksi dapat dieksekusi
dalam setiap satu siklus clock sehingga kinerja mikrokontroler dapat maksimal
[3].
6
Gambar 2.1 Arduino Uno R3 [4].
Arduino Uno R3 memiliki 14 pin digital I/O dan mudah dilakukan pengembangan
project dengan menghubungkan board arduino ke komputer menggunakan kabel
USB. Untuk menghidupkannya cukup dengan menggunakan adaptor 5V DC.
Adapun spesifikasi dari Arduino Uno ditunjukan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Spesifikasi arduino Uno R3 [4].
Keterangan Arduino Uno R3
Fungsi a. Program yang dibuat dapat mengontrol komponen yang
terhubung;
b. Sebagai otak dan pusat perintah sistem yang dibuat;
c. Port USB to serial dapat memudahkan dalam komunikasi
dengan PC; dan
d. Mempercepat dan memudahkan dalam pembuatan sistem
kontrol yang bersifat automasi maupun instrumentasi.
Input Tegangan masukan 7-12 volt.
Tegangan masukan maksimum 6-20 volt.
Output Pin I/O digital sebanyak 14.
Pin analog sebanyak 6.
Arus DC tiap pin I/O 50 mA.
Kebutuhan a. Mengubah sinyal analog dari sensor menjadi sinyal digital
untuk kebutuhan antarmuka.
b. Menghubungkan semua komponen yang digunakan menjadi
satu sistem.
7
2.2 Analog to Digital Converter (ADC)
Analog to digital converter (ADC) merupakan rangkaian elektronika untuk
mengubah besaran input analog menjadi kode-kode digital [5]. Perangkat ini
umum digunakan dalam bidang industri maupun instrumentasi pengukuran
sebagai perantara antara sensor dan sistem komputer. Beberapa jenis sensor
biasanya mengukur besaran fisis berupa sinyal analog (kontinu) kemudian sinyal
yang diterima sensor diubah oleh rangkaian ADC menjadi sinyal digital berbasis
biner sehingga dapat terbaca oleh sistem komputer atau mikrokontroler. Sinyal
digital yang dihasilkan ADC harus dapat merepresentasikan kuantitas sinyal
analog yang diterjemahkannya. Hal ini berhubungan dengan tingkat sensitif ADC
terhadap perubahan sinyal analog yang masuk [6].
Rangkaian ADC memiliki dua karakter prinsip, yaitu kecepatan sampling dan
resolusi [5]. Kecepatan sampling suatu ADC menyatakan seberapa sering sinyal
analog dikonversikan ke bentuk sinyal digital pada selang waktu tertentu yang
dinyatakan dalam sample per second (SPS). Sedangkan resolusi suatu ADC
menentukan ketelitian nilai hasil konversi yang berhubungan dengan jumlah bit
yang dimilikinya. Sehingga semakin besar jumlah bit suatu ADC makan akan
memberikan ketelitian nilai hasil konversi yang lebih baik. Contoh ADC 12 bit
memiliki 12 bit output data digital, ini berarti sinyal input dapat dinyatakan dalam
4096 nilai diskrit. Adapun persamaannya adalah sebagai berikut
πππππ πππ ππππ‘ = 2π β 1 (2.1)
Prinsip kerja suatu ADC adalah mengkonversi sinyal analog ke dalam bentuk
besaran yang merupakan rasio perbandingan sinyal input dan tegangan referensi.
Sehingga dapat dituliskan Persamaan sebagai berikut.
ππππππ =π πππππ
2πβ1Γ πππ π£πππ‘πππ (2.2)
8
2.3 Modul ADS1115
Modul ADS1115 merupakan salah satu modul ADC yang memiliki resolusi 16 bit
dengan kecepatan sampling sebesar 860 sampel/detik. Modul ini memiliki fitur
multiplexer input (MUX) sehingga dapat bekerja dengan mode single-ended yakni
satu input pada tiap pin dan differential inputs yakni dua input pada dua pin.
Transfer data modul ini dilakukan dengan menggunakan I2C yang terdiri dari
serial SCL dan SDA. Modul ini dapat di aplikasikan pada instrumentasi berbasis
portable, sistem pengukuran suhu, sistem otomasi pabrik dan sebagainya [7].
Adapun spesifikasi yang dimiliki oleh ADS1115 dapat dilihat pada Tabel 2.2.
Gambar 2.2 Modul ADS1115 [8].
Tabel 2.2 Spesifikasi modul ADS1115 [7].
Resolution 16 bits
Programmable Sample Rate 8 to 860 Samples/ Second
Power Supply/ Logic Levels 2,0V to 5,5V
Low Current Consumption Continuous Mode: Only 150Β΅A
Single-Shot Mode: Auto Shut-Down
Low-Drift Voltage Reference Internal
Oscillator Internal
Internal PGA up to x16
I2C Interface 4-Pin-Selectable Addresses
Mode Four Single-Ended or 2 Differential Inputs
Comparator Programmable
9
Adapun diagram pin-out modul ADS1115 ditunjukan oleh Gambar 2.3 dan
penjelasan mengenai diagram tersebut dapat dilihat pada Tabel 2.3.
Gambar 2.3 Diagram pin-out ADS 1115 [7].
Tabel 2.3 Daftar terminal modul ADS1115 [7].
Pin Type Description
ADDR Digital input I2C slave address select
AIN0 Analog input Analog input 0
AIN1 Analog input Analog input 1
AIN2 Analog input Analog input 2
AIN3 Analog input Analog input 3
ALERT/ RDY Digital input Comparator output or conversion ready
GND Analog Ground
NC - Not connected
SCL Digital input Serial clock input. locks data on SDA
SDA Digital I/O Serial data. Transmits and receives data
VDD Analog Power supply. Connect a 0.1-ΞΌF, power-
supply decoupling capacitor to GND.
2.4 Modul sensor ACS712
Sensor merupakan suatu komponen yang dapat mengubah besaran fisik tertentu
menjadi bentuk energi yang lain. Sensor umumnya dijadikan sebagai bagian dari
sistem intrumentasi pengukuran atau sebagai bagian dari sistem kontrol [9].
Berbagai jenis sensor banyak digunakan dalam rangkaian elektronik salah satunya
adalah sensor arus. Sensor arus digunakan untuk mengukur aliran arus listrik
searah maupun bolak-balik pada suatu rangkaian. Sensor arus yang digunakan
dalam rangkaian elektronik adalah ACS712.
10
Gambar 2.4 Modul sensor ACS712 [10].
ACS712 merupakan modul sensor arus dengan sistem kerja seperti sensor hall
effect. Sensor ini memiliki akurasi yang tinggi, Karena didalamnya terdapat
rangkaian low-offset linear hall dengan satu lintasan yang terbuat dari tembaga.
Prinsip kerja sensor ini adalah arus yang mengalir melalui kabel tembaga
menghasilkan medan magnet yang kemudian ditangkap oleh integrated hall IC
dan diubah menjadi tegangan proporsional. Untuk mendapatkan ketelitian yang
optimal dari sensor ini adalah dengan cara memasang komponen penghasil medan
magnet dengan hall tranducer secara berdekatan [11]. Adapun diagram pin-out
modul sensor ACS712 ditunjukan oleh Gambar 2.5 dan penjelasan mengenai
diagram tersebut dapat dilihat pada Tabel 2.4.
Gambar 2.5 Diagram pin-out ACS 712 [11].
Tabel 2.4 Daftar terminal sensor ACS712 [11].
Number Name Description
1 and 2 IP+ Terminals for current being sensed; fused internally
3 and 4 IPβ Terminals for current being sensed; fused internally
5 GND Signal ground terminals
6 FILTER Terminal for external capacitor that sets bandwidth
7 VIOUT Analog output signal
8 VCC Device power supply terminal
11
2.5 Pembangkit Daya
Secara umum sumber tegangan yang dibutuhkan oleh instrumentasi resistivitas
berasal dari baterai dengan tegangan 12V. Tegangan masukan tersebut harus
dinaikkan tegangannya agar menjangkau daerah yang lebih dalam. Pada penelitian
kali ini, akan dimanfaatkan prinsip rangkaian inverter untuk menaikan tegangan
menjadi 220V arus bolak-balik. Kemudian dengan menggunakan rangkaian
penyearah gelombang (rectifier) untuk mengubah arus bolak-balik yang
dihasilkan oleh inverter menjadi arus searah.
1 Inverter
Inverter merupakan suatu rangkaian yang dapat digunakan untuk mengubah
sumber tegangan searah (DC) menjadi sumber tegangan bolak-balik (AC) dengan
frekuensi tertentu. Komponen inverter terdiri dari komponen semikonduktor daya
berupa SCR, transistor, dan mosfet yang beroperasi sebagai sakelar dan pengubah
[12]. Secara umum, inverter dapat digolongkan menjadi dua jenis, yakni Inverter
satu fasa dan inverter tiga fasa. inverter disebut sebagai catu-tegangan apabila
masukan tegangan selalu tetap, disebut inverter catu-arus apabila masukan arus
selalu tetap, dan disebut inverter variabel apabila masukan tegangan dapat diatur
sesuai dengan keinginan pengguna. Adapun prinsip kerja inverter seperti yang
ditunjukan oleh Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Rangkaian inverter [13].
Inverter terdiri dari rangkaian osilator, rangkaian saklar (switch) dan rangkaian
transformator. Sumber listrik baterai 12V dihubungkan pada center tap
transformator dimana ujung-ujungnya (titik A dan titik B) dihubungkan menuju
12
ground rangkaian melalui saklar. Apabila saklar terhubung pada titik A, jalur 1
akan mengalirkan arus listrik dari baterai ke center tap kemudian ke titik A hingga
ke ground melalui saklar titik A. Pada saat saklar berpindah dari titik A ke titik B,
arus yang mengalir pada jalur 1 akan berhenti dan arus listrik mengalir melalui
jalur 2 dari baterai ke center tap kemudian ke titik B hingga ke ground rangkaian
melalui saklar titik B. Peralihan A dan B pada saklar dikendalikan oleh rangkaian
osilator sebagai pembangkit frekuensi 50 Hz yakni mengalihkan arus dari titik A
ke titik B dan titik B ke titik A sebanyak 50 kali per detik. Dengan demikian arus
mengalir di jalur 1 dan jalur 2 bergantian sehingga ekuivalen dengan arus listrik
AC berfrekuensi 50 Hz. Switch yang digunakan adalah mosfet atau transistor.
Sekunder transformator akan menghasilkan tegangan yang lebih tinggi tergantung
pada jumlah lilitan pada kumparannya atau rasio lilitan antara kumparan primer
dan kumparan sekunder transformator yang digunakan pada inverter tersebut.
Adapun hubungan antara jumlah lilitan dan tegangan ditunjukan pada Persamaan
2.3.
ππ
ππ =
πΌπ
πΌπ=
ππ
ππ (2.3)
di mana ππ adalah tegangan primer (V), ππ adalah tegangan sekunder (V), πΌπ
adalah kuat arus primer (A), πΌπ adalah kuat arus sekunder (A), ππ adalah jumlah
lilitan primer, dan ππ adalah jumlah lilitan sekunder.
Pada kenyataannya, sebuah transformator menghasilkan keluaran daya yang tidak
sama dengan masukan dayanya. Oleh sebab itu, efesiensi dari sebuah
transformator dapat dituliskan sebagai berikut:
π =ππ
ππΓ 100% (2.4)
di mana π adalah efesiensi trafo, ππ adalah daya keluaran (watt), dan ππ adalah
daya masukan (watt).
2 Penyearah gelombang
Penyearah gelombang atau biasa disebur rectifier merupakan rangkaian yang
dapat digunakan untuk mengubah sumber arus bolak-balik (AC) menjadi sumber
arus searah (DC). Penyearah gelombang dibedakan menjadi dua jenis yaitu
13
penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh. Penyearah
gelombang penuh terbagi lagi menjadi penyearah gelombang penuh dengan center
tap (CT) dan penyearah gelombang penuh model jembatan. Pada penelitian kali
ini, digunakan jenis penyearah gelombang penuh model jembatan.
Gambar 2.7 Rangkaian penyearah setengah gelombang [14].
Gambar 2.8 Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan center tap (CT) [14].
Gambar 2.9 Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan model jembatan [14].
Penyearah gelombang penuh model jembatan memerlukan empat buah dioda. Dua
dioda akan berkonduksi saat isyarat positif dan dua diode akan berkonduksi saat
isyarat negatif. Untuk model penyearah jembatan ini kita tidak memerlukan
transformator yang memiliki center-tap. Pada gambar 2.9 bagian masukan AC
dihubungkan pada sambungan D1-D2 dan yang lainnya pada D3-D4. Katoda D1
dan D3 dihubungkan dengan keluaran positif dan anode D2 dan D4 dihubungkan
dengan keluaran negatif (ground rangkaian). Misalkan masukan AC pada titik A
14
berharga positif dan B berharga negatif, maka dioda D1 akan berpanjar maju dan
D2 akan berpanjar mundur. Pada sambungan bawah D4 berpanjar maju dan D3
berpanjar mundur. Pada keadaan ini elektron akan mengalir dari titik B melalui
D4 ke beban, melalaui D1 dan kembali ke titik A. Pada setengah periode
berikutnya titik A menjadi negatif dan titik B menjadi positif. Pada kondisi ini D2
dan D3 akan berpanjar maju sedangkan D1 dan D4 akan berpanjar mundur. Aliran
arus dimulai dari titik A melalui D2, ke beban, melalui D3 dan kembali ke titik B.
Perlu dicatat di sini bahwa apapun polaritas titik A atau B, arus yang mengalir ke
beban tetap pada arah yang sama.
2.6 Hukum Ohm
Prinsip kerja dari metode resistivitas adalah dengan memasukan sejumlah arus
kedalam bumi melalui dua buah elektroda arus. Hal ini dapat diasumsikan bahwa
telah terjadi sebuah rangkaian listrik tertutup sehingga menimbulkan aliran arus
listrik. Arus listrik dapat mengalir karena adanya beda potensial antara dua titik
pada suatu medium penghantar [15]. Percobaan laboratorium telah dilakukan oleh
seorang ahli fisika Jerman, George Simon Ohm (1787-1854) yang menemukan
hubungan antara kuat listrik dengan beda potensial suatu penghantar yang
kemudian dikenal sebagai hukum ohm.
Gambar 2.10 Rangkaian pada Hukum Ohm [14].
Hukum ohm menyatakan bahwa βKuat arus yang mengalir pada suatu
penghantar sebanding dengan beda potensial antara ujung-ujung penghantar
dengan syarat suhunya konstan/tetapβ [15]. Sehingga makin besar arus yang
diberikan, maka akan menghasilkan beda potensial yang semakin besar pula.
15
Dengan demikian dapat dibuat grafik hubungan antara kuat arus dan beda
potensial sebagai berikut:
Gambar 2.11 Grafik hubungan antara kuat arus dengan beda potensial [15].
Dari grafik di atas, didapatkan Persamaan sebagai berikut
π =βπ
βπΌ (2.5)
di mana π merupakan konstanta perbandingan antara beda potensial dan kuat arus
(V/A). Nilai π yang tetap dapat dinyatakan sebagai besaran hambatan listrik (R)
sehingga Persamaan 2.5 berubah menjadi:
π =π
πΌ (2.6)
dengan π adalah hambatan jenis (Ξ©), π adalah beda potensial atau tegangan (V),
dan πΌ adalah kuat arus (A).
Namun hukum ohm merupakan hasil analisis matematis dari rangkaian galvanik
yang didasarkan pada analogi antara aliran listrik dan aliran panas [16]. Formulasi
Fourier untuk aliran panas dapat dirumuskan sebagai berikut:
ππ
ππ‘= βππ΄
ππ
ππ‘ (2.7)
di mana π adalah quantitas panas (J), π adalah konduktivitas panas (J/m s K), π΄
adalah luas penampang (m2), dan π adalah suhu (K).
Dengan menggunakan formulasi Fourier untuk Persamaan konduksi panas dan
intensitas medan listrik dengan gradien temperatur. Sehingga Persamaan arus
listrik yang mengalir pada bahan konduktor dapat dituliskan:
πΌ =π΄
π
ππ£
ππ (2.8)
βV
A βI
16
Apabila bahan konduktor mempunyai luas penampang yang merata, maka:
πΌ = π΄
π
π
π (2.9)
Substitusi Persamaan (2.6) pada Persamaan (2.9), diperoleh Persamaan resistivitas
sebagai berikut:
π =ππ
π΄ (2.10)
dengan π adalah beda potensial pada bahan konduktor (V), π adalah panjang
bahan (m), π adalah resistivitas (Ξ©m), dan π adalah resistansi konduktor (Ξ©).
2.7 Resistivitas
Metode resistivitas merupakan suatu metode yang menggunakan sumber berupa
arus listrik yang dimasukan kedalam tanah melalui elektroda untuk mengetahui
sifat resistivitas dibawah permukaan [17]. Setiap lapisan memiliki kemampuan
yang berbeda-beda dalam menghantarkan arus listrik bergantung pada jenis
lapisannya. Aliran arus listrik didalam batuan dan mineral dapat digolongkan
menjadi tiga macam, yakni konduksi secara elektronik, konduksi secara
elektrolitik dan konduksi secara dielektrik [17]. Sifat muatan listrik yang mengalir
akan menghasilkan beda potensial yang dapat diukur pada jarak tertentu sehingga
dapat diturunkan menjadi nilai hambatan jenis.
Pada konsep sederhana metode resistivitas, bumi dianggap bersifat homogen dan
isotropik. [17] menganggap apabila tanah bersifat homogen dan isotropik, nilai
resistivitas yang terukur akan bernilai konstan untuk setiap arus dan jarak
elektroda yang diberikan. Namun pada kenyataannya bumi tidak bersifat homogen
dan tersusun dari lapisan-lapisan dengan sifat yang berbeda-beda yang
mempengaruhi nilai potensial yang terukur. Oleh sebab itu nilai resistivitas yang
terukur bukanlah representasi satu lapisan saja namun beberapa lapisan dibawah
permukaan.
Menurut [17], Persamaan resistivitas sebagai berikut:
π = πΎβπ
πΌ (2.11)
17
di mana,
πΎ = 2π [(1
π1β
1
π2) β (
1
π3β
1
π4)]
β1
(2.12)
Dengan π adalah resistivitas (Ξ©m), πΎ adalah faktor geometri akibat pengaruh
letak elektroda (m), βπ adalah beda potensial (V), dan πΌ adalah arus (A).